KR101189162B1 - 발광 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고휘도 적색 발광 다이오드의 휘도를 개선할 수 있는 구조 및 제조 방법에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명의 실시예는 불투명한 흡수기판인 GaAs층을 제거하거나 구조를 변경하지 않고, 그 상부에 복수의 층들로 이루어진 반사층을 성장시킨 후 그 상부에 발광 다이오드 구조를 순차적으로 성장시키도록 함으로써, 소자의 손상이 유발될 수 있는 흡수기판의 변형 대신 반사층을 더 형성하도록 하는 것만으로 상기 흡수기판 방향으로 방출되는 광을 대부분 전면으로 반사시켜 전면광의 효율을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

발광 다이오드 및 그 제조 방법{LIGHT EMITTING DIODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 종래 측면 전류형 발광 다이오드의 구조를 보인 단면도.

도 2는 본 발명 일 실시예의 발광 다이오드 구조를 보인 단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

110: 흡수 기판 120: 반사층

130: n 콘택층 140: 활성층

150: p 콘택층 160: p 전극

170: n 전극

본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 고휘도 적색 발광 다이오드의 휘도를 개선할 수 있는 구조 및 제조 방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode)는 기본적으로 반도체 PN 접합 다이오드로서, 대단히 다양한 재료들과 구조들에 대한 연구가 이루어져 점차 고휘도의 다양한 파장별 발광 다이오드가 상용화되고 있으며, 그 빠른 구동 속도와 높은 효율 및 긴 수명을 앞세워 다른 종류의 발광 수단들을 빠르게 대체하고 있다.

발광 다이오드를 분류하는 최대 요인은 발광 스팩트럼이며, 그 중심 발광 파장에 따라 크게 적외선(IR), 가시광선(Visible), 자외선(UV)용으로 나뉠 수 있는데, 이들 파장을 만들어 내는 발광 다이오드에서 주로 사용되는 물질계 별로 나누어보면, GaAs(적외선), AlGaAs(적색), GaAsP(황색에서 적색), GaP(녹색에서 적색), AlInGaP(황녹색에서 적색), AlInGaN(녹색, 청색, 자색, 백색, 자외선), AlGaInP(호박색(Amber)에서 적색)등으로 나눌 수 있으며, 이들 중에서 AlGaAs, AlInGaP, AlInGaN, AlGaInP 등은 최근 고휘도 발광 다이오드로 특히 주목받고 있는 물질계이다.

이러한 가시광 영역의 발광 다이오드들 중에서 그 활용성이 두드러지는 파장의 발광 다이오드는 단연 적색 발광 다이오드로서, 녹색이나 황색 등에 비해서 동일한 휘도에서도 가시성이 뛰어나기 때문에 신호등, 차량의 정지등, 각종 표시 디스플레이 용도로 그 사용 영역이 급속히 확산되고 있다.

일반적으로 적색 발광 다이오드 제작을 위해 사용되는 물질계로 GaP, GaAsP, AlGaAs, AlGaInP 등을 들 수 있는데, 물질에 따른 발광 효율은 AlInGaP가 가장 높다(10mA에서 20lm/A).

GaP 적색 발광 다이오드는 p형 결정 중에 형성된 Zn-O쌍이 발광의 주체가 되는데 p형 중의 Zn-O 쌍의 농도 한계로 인해 전류를 많이 흘리더라도 휘도의 한계가 있으며, 피크 파장은 700nm 부근이다.

GaAsP 적색 발광 다이오드는 3원 화합물 반도체인 GaAs_{0 .6}P_{0 .4} 결정 중에서 pn 접합을 형성한 것으로 직접 천이형이므로 고효율 발광 다이오드의 제조가 가능하며 피크 파장은 650nm 부근이다. 일반적으로 GaAsP 결정은 GaAs상에 기상성장법을 이용하여 버퍼층을 만들면서 성장된다.

AlGaAs는 Al_{0 .35}Ga_{0 .65}As와 Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As의 이종접합이 기본 구조로서, 고효율 발광 다이오드 제조가 가능하며 피크 파장은 660nm 정도이다. 또한 Al_{0 .5}Ga_{0 .5}As층을 활성층으로 하고, 배리어층을 Al_{0 .65}Ga_{0 .35}As를 이용하여 피크 파장을 630nm로 조절하기도 한다. AlAs 조성비에 따라 직접 천이형과 간접천이형 밴드가 조절된다.

상기 AlGaAs 적색 발광 다이오드는 GaAs 기판 위에 AsGaAs 구조를 성장시키는 방법을 이용하며, 상기 GaAs 기판은 불투명하여 기판내로 광이 흡수되므로 상기 GaAs 기판을 제거하는 방법등이 제한되었다.

최근 들어, AlGaInP를 활성층으로 하는 고효율 적색 발광 다이오드가 개발되었는데, 이는 호박색(Amber)에서 적색에 이르는 색 범위를 가진다.

상기 AlGaInP는 GaAs 기판 위에 격자상수가 일치하는 (Al_xGa_{1 -x})_0.5In_{0 .5}P를 성장시키는데, Al 조성비 x=0에서 x=0.53사이의 값에서 직접 천이형 밴드갭을 가지며, 이 영역에서 적색(1.9eV, x=0)에서 황녹색(2.2eV, x=0.53)의 가시광 그펙트럼을 가지게 된다. 그러나 높은 Al 조성비를 가지게 되면 간접천이형 밴드 구조르 변화되므로 실제 상용화는 적색, 오랜지색, 호박색 등으로 제한된다.

도 1은 일반적인 AlGaInP 발광 다이오드의 구조를 보인 단면도로서, 측면 전류 주입형 구조를 가진 발광 다이오드이다.

도시된 바와 같이, n 형으로 도핑된 GaAs 기판(10) 상부에 차례로 n-AlGaInP n 콘택층(20), AlGaInP 활성층(30), p-AlGaInP p 콘택층(40)을 형성한 후 상기 p 콘택층(40), 활성층(30), n 콘택층(20)을 순차적으로 일부 제거하여 상기 n-GaAs 기판(10)을 노출시키고, p 콘택층(40) 상부와 상기 노출된 n-GaAs 기판(10) 상부에 각각 p 전극(50)과 n 전극(60)을 형성한 것이다.

상기 AlGaInP 층들은 주로 저압 유기금속 화학지상증착법(MOVCD)를 이용하여 성장되는데, 혼합 순서, 억셉터(Acceptor) 이온의 수소증착(Hydrogen Passivation), 산소의 결합을 감안하여 성장된다.

상기 격자상수 일치를 위해 GaAs 기판(10) 상에 상기 AlGaInP층들을 성장시키고 있으나, 상기 GaAs 기판(10)은 불투명하기 때문에 상기 활성층(30)에서 방출되는 포톤을 흡수하여 광효율을 낮춘다. 따라서, 이를 해결하기 위해 상기 GaAs 기판(10)을 제거하여 GaP와 같은 투명 기판 등으로 대체하거나 상기 AlGaInP 층을 그대로 이용하여 n 콘택층(20) 방향으로 방출되는 광의 효율을 높이는 방법이 제안된 바 있다. 그러나, 이러한 방법은 GaAs 기판(10)을 리프트 오프법으로 제거하고, 노출되는 AlGaInP층의 표면을 평탄화하는 공정이 요구되는 등 공정이 복잡하고 상기 공정들을 거치면서 소자가 손상되기 쉬워 수율이 낮아지는 문제가 발생한다. 그 외에 기판의 구조를 역 사다리꼴 등으로 변경하는 방법으로 후면광을 이용하고자 하는 방법이 제안되었으나, 역시 기판의 물리적인 가공은 소자에 충격을 주기 때문에 신뢰성이 낮아질 수 있고, 미세하고 복잡한 가공 공정이 요구되어 비용이 높아지게 된다.

상기한 바와 같은 종래 기술에 대비하여 본 발명의 실시예는 불투명한 흡수기판인 GaAs층을 제거하거나 구조를 변경하지 않고, 그 상부에 복수의 층들로 이루어진 반사층을 성장시킨 후 그 상부에 발광 다이오드 구조를 순차적으로 성장시키도록 하여 상기 흡수기판 방향으로 방출되는 광을 모두 전면으로 반사시켜 전면광의 효율을 크게 높이도록 한 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 성장될 물질계와 격자 구조가 일치하는 흡수기판 상부에 형성되며, 굴절율이 상이한 투명 박막의 적층으로 이루어진 반사층과; 상기 반사층 상부에 형성된 제 1콘택층, 활성층, 제 2콘택층 구조의 발광 다이오드 구조와; 상기 흡수기판과 상기 제 2콘택층에 각각 형성된 전극들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예는 n-GaAs 흡수 기판 상부에 형성된 n-AlAs/AlGaInP 반복 구조의 반사층과; 상기 반사층 상부에 형성된 n-AlGaInP층과; 상기 n-AlGaInP층 상부에 형성된 활성층과; 상기 활성층 상부에 형성된 p-AlGaInP층과; 상기 p-AlGaInP층 상부에 형성된 p전극과; 상기 n-GaAs층에 형성된 n 전극으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또다른 실시예는 흡수 기판 상부에 굴절율이 상이한 박막을 복수로 교번 성장시켜 반사층을 형성하는 단계와; 상기 반사층 상부에 순차적으로 동일 물질 기반의 제 1콘택층, 활성층, 제 2콘택층을 형성하는 단계와; 상기 흡수 기판 및 제 2콘택층에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 같은 본 발명을 첨부한 도면 및 실시예를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명 일 실시예의 발광 다이오드 구조를 보인 단면도로서, 도시한 바와 같이 흡수기판(110) 상부에 복수의 반사층(120), n 콘택층(130), 활성층(140), p 콘택층(150)이 메사(mesa) 구조로 형성되어있으며, p 콘택층(150) 상부에 p 형 전극(160)이 형성되고, 상기 흡수기판(110) 상부에 n 형 전극(170)이 형성되어 있다.

본 실시예에서, 상기 흡수기판(110)은 n-GaAs이고, 발광 다이오드 구조를 이루는 n 콘택층(130), 활성층(140), p 콘택층(150)은 현재까지 최고 효율을 나타내는 AlGaInP 물질계를 성장시켜 형성한 것으로, 기본 구조만을 도시하였으며, 필요한 경우 전자, 정공 주입을 위한 클래딩층이나 초격자 구조층들이 더 형성될 수 있고, 상기 활성층(140)의 구조 역시 단일층, 양자우물 구조, 다중 양자우물 구조 등이 적용될 수 있다.

상기 흡수기판(110)은 그 상부에 형성할 반도체층의 격자 구조에 일치하는 물질 중 가장 널리 사용되는 GaAs를 이용한 것이며, 이러한 GaAs를 기판으로 삼아 그 상부에 반도체층을 형성하고, 상기 GaAs 기판을 제거한 후 투명한 기판을 웨이 버 본딩 방식으로 접합시켜 사용하는 경우도 있으나, 본 발명의 실시예에서는 상기 GaAs와 같이 불투명하여 해당 방향의 광을 흡수함으로써 광 효율을 낮추는 기판도 적용이 가능하도록, 상기 반사층(120)을 상기 흡수기판(110) 상부에 형성하여 해당 방향의 광을 모두 반사시켜 전면광의 휘도를 증가시키고자 한다.

상기 반사층(120)은 상기 반도체 구조의 물질계와 동일한 종류의 물질계를 이용하며, 그 상부에 성장되는 콘택층과 동일한 도전 특성을 가져야 함과 아울러, 높은 반사 특성을 가져야 한다. 따라서, 여기서는 AlAs/AlGaInP의 적층 형태를 가진다. 상기 AlAs/AlGaInP의 적층 구조는 굴절율이 다른 두 개의 투명재료를 여러층으로 번갈아 적층함으로써, 소정 파장의 빛을 반사할 수 있다는 점을 이용한 것이다.

상기 반사층(12)의 적층 구조는 AlAs와 Al_xGa_yIn_(1-x-y)P 물질로 구성되며, 각각의 두께는 nλ/4(λ는 파장)이며, 이때의 반사율(R)은 다음의 수학식 1과 같다.

상기 반사율을 높이기 위해서는 층수를 늘리거나 nH/nL(H는 고굴절율 투명 박막, L은 저굴절율 투명 박막)의 비를 올림으로써 가능하게 된다. 이때, 상기 GaAs 기판에 흡수되어 지는 빛의 양은 1-R이 된다.

본 실시예의 특징은 이러한 복수층으로 이루어진 반사층(120)을 사용하면서 도, 상기 반사층(120), n 콘택층(130), 활성층(140), 그리고 p 콘택층(150) 모두가 동일한 물질계 조성으로 이루어진다는 점이다. 즉, 성장 방식의 발광 다이오드 층들의 제조 과정을 고려하여 금속 반사층이 아닌 광 통신에서 사용되는 분포 브래그 반사층(Bistributed Bragg Reflector)을 동일 격자 구조층의 성장 방법으로 형성하도록 하여, 결정 성장이 용이하도록 하면서 동일 물질 조성 만으로 구조 형성을 완료하도록 한다.

상기 도시한 구조의 형성 과정을 보면, 우선 n 형 GaAs층(110) 상부에 순차적으로 n-AlAs/AlGaInP 층들을 복수 성장시켜 반사층(120)을 형성하고, 그 상부에 n-AlGaInP층(130)을 n 콘택층으로 성장시킨다. 그리고, 그 상부에 역시 AlGaInP를 이용한 활성층(140)을 성장시킨다. 이는 두 개의 전하 구속층 사이에 AlGaInP를 형성하는 양자 우물 구조로도 형성이 가능하다. 그 다음, 그 상부에 p형 AlGaInP층(150)을 p 콘택층으로 성장시킨다. 각각의 결정 성장은 저압 유기금속 화학기상증착법(MOVCD)을 사용할 수 있고, 성장 중에 불순물을 주입하여 n형 또는 p형 특성을 가지도록 할 수 있다.

이후, 발광 다이오드의 구조를 수직형, 혹은 수평형 중 어떠한 구조로 형성할 것인지 판단하여, 측면 전류 주입형인 수평형 구조로 형성할 경우에는 도시된 바와 같이 상기 n-GaAs 흡수 기판(110) 상부의 p 콘택층(150), 활성층(140), n 콘택층(130) 및 반사층(120)을 순차적으로 식각하여 메사 구조를 형성하고, 상기 과정을 통해 노출되는 n-GaAs 흡수 기판(110) 상부와 상기 p 콘택층(150) 상부 각각 n 전극(170)과 p 전극(160)을 형성한다.

만일 수직형 구조로 형성할 경우라면 상기 p 콘택층(150) 상부에 p 전극(160)을 형성하고, 상기 n-GaAs 흡수 기판(110)의 하부에 n 전극을 형성할 수 있다.

전술한 본 발명의 실시예와 그에 따른 설명에서 밝힌 바와 같이, 적색 발광 다이오드를 제조할 경우 기본이 되는 GaAs층 상부에 굴절율이 상이한 복수의 층들을 형성하여 반사층으로 사용하고, 그 상부에 발광 다이오드 구조물을 동일 물질계로 형성하도록 하여, 상기 GaAs층 방향의 광을 반사시켜 전면 방출광량을 크게 증가시킬 수 있다. 상기 발광 다이오드는 GaP, GaAsP, AlGaAs, AlGaInP와 같은 물질계를 이용할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명 발광 다이오드 및 그 제조 방법은 불투명한 흡수기판인 GaAs층을 제거하거나 구조를 변경하지 않고, 그 상부에 복수의 층들로 이루어진 반사층을 성장시킨 후 그 상부에 발광 다이오드 구조를 순차적으로 성장시키도록 하여 상기 흡수기판 방향으로 방출되는 광을 대부분 전면으로 반사시켜 전면광의 효율을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드 구조를 형성하는 물질 조성은 AㅣGaInP를 기반으로 하고, 반사층은 AlAs/AlGaInP의 적층으로 이루어지도록 하여 결정 성장이 용이하도록 한 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 반사층은 굴절율이 상이한 투명 박막을 적층하며, 그 적층 횟수 및 각 적층의 굴절비에 따라 광 반사율을 조절할 수 있어 전면광량의 증가 정도를 조절할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 성장될 물질계와 격자 구조가 일치하는 흡수기판 상부에 형성되며, 굴절율이 상이한 투명 박막의 적층으로 이루어진 반사층과;

   상기 반사층 상부에 형성된 제 1콘택층, 활성층, 제 2콘택층 구조의 발광 다이오드 구조와;

   상기 흡수기판과 상기 제 2콘택층에 각각 형성된 전극들을 포함하며,

   상기 발광 다이오드 구조는 AlGaInP의 조성을 가지며, 상기 반사층은 AlAs/AlGaInP의 복층 구조를 갖는 발광 다이오드.
2. 제 1항에 있어서, 상기 반사층은 굴절율이 상이한 2종류의 박막들이 반복 형성된 적층으로 이루어지며, 상기 제 1콘택층과 동일한 도전 특성을 갖는 발광 다이오드.
3. 제 1항에 있어서, 상기 흡수기판, 반사층, 제 1콘택층은 모두 n 형 도전 특성을 가지며, 상기 제 2콘택층은 p 형 도전 특성을 갖는 발광 다이오드.
4. 삭제
5. n-GaAs층 상부에 형성된 n-AlAs/AlGaInP 반복 구조의 반사층과;

   상기 반사층 상부에 형성된 n-AlGaInP층과;

   상기 n-AlGaInP층 상부에 형성된 활성층과;

   상기 활성층 상부에 형성된 p-AlGaInP층과;

   상기 p-AlGaInP층 상부에 형성된 p전극과;

   상기 n-GaAs층에 형성된 n 전극으로 이루어진 발광 다이오드.
6. 제 5항에 있어서, 상기 n-GaAs층에 형성된 상기 반사층, n-AlGaInP층, 활성층, p-AlGaInP층 및 p 전극은 상기 n-GaAs층 상부 일부 영역에서 메사(mesa) 구조로 형성되며, 상기 노출된 n-GaAs층 상부에 n 전극이 형성된 발광 다이오드.
7. 흡수 기판 상부에 굴절율이 상이한 박막을 복수로 교번 성장시켜 반사층을 형성하는 단계와;

   상기 반사층 상부에 순차적으로 AlGaInP 물질 기반의 제 1콘택층, 활성층, 제 2콘택층을 형성하는 단계와;

   상기 흡수 기판 및 제 2콘택층에 전극을 형성하는 단계를 포함하며,

   상기 반사층은 AlAs/AlGaInP의 복층 구조를 반복 성장시키는 단계를 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 흡수 기판은 제 1콘택층과 동일한 도전 특성을 가진 기판을 이용하고, 상기 반사층은 상기 제 1콘택층과 동일한 도전 특성을 가지도록 성장시 도핑하는 발광 다이오드 제조 방법.
9. 제 7항에 있어서, 상기 반사층 및 제 1콘택층은 모두 n 형 도전 특성을 가지도록 성장 중에 도핑하고, 상기 제 2콘택층은 p 형 도전 특성을 가지도록 성장 중에 도핑하는 발광 다이오드 제조 방법.
10. 삭제

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